WO2008110543A1 - Deckbandverbindung einer turbinenschaufel - Google Patents

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WO2008110543A1
WO2008110543A1 PCT/EP2008/052840 EP2008052840W WO2008110543A1 WO 2008110543 A1 WO2008110543 A1 WO 2008110543A1 EP 2008052840 W EP2008052840 W EP 2008052840W WO 2008110543 A1 WO2008110543 A1 WO 2008110543A1
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contact surface
curvature
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Jaroslaw Szwedowicz
Bent Phillipsen
Thomas Secall Wimmel
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Abb Turbo Systems Ag
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Definitions

  • the invention relates to the field of turbomachines, in particular exhaust gas turbocharger for supercharged internal combustion engines, steam and gas turbines.
  • It relates to a turbine wheel with a plurality of blades, which each have at their free ends cover plates and a blade of such a turbine wheel.
  • Prior art impellers of thermal turbomachines such as steam turbines, gas turbines or turbines of exhaust gas turbochargers, have a plurality of blades, which are arranged on a hub which is rotatably mounted about a shaft.
  • the impellers often have shrouds - referred to in technical language as "Shroud" - at their radially outer, free ends.
  • a shroud is composed of individual segments (hereinafter referred to as cover plates), which are integrally connected to one blade each.
  • the cover plates are braced against each other by a torsional bias of the blades during assembly or in operation by the natural unwinding of the blades under the influence of centrifugal force.
  • the function of the cover plates is to improve the thermodynamic efficiency by minimizing the gap losses, as well as in the optimization of the vibration behavior by their damping and stiffening effect.
  • the design of the transition between the cover plates of two adjacent blades arranged according to various criteria in terms of thermodynamics, durability, surface pressure, assembly and manufacturing.
  • the object of the present invention is to improve the transition between the cover plates of adjacently disposed blades of a turbine wheel.
  • the transition between the cover plates of adjacently arranged rotor blades of a turbine wheel with a flat and an uneven contact surface is designed for this purpose.
  • planar contact is provided at one of the ends of the cover plate, the contact surface with at least two semi-cylindrical elevations (wrinkles) with radius r. These semi-cylindrical protrusions optionally have along their axis a curvature of radius R.
  • the mating contact surface of the cover plate is flat. By changing the cylinder radius r, the surface pressure can be varied and adapted to the cover plate size. In the case of purely level contact, uncontrolled local stress concentrations and misplacement of contact zones occur. This results in a different design of the wear on the cover plates of the same blade wreath. Small manufacturing differences between blade to blade within the tolerance have great effects on the formation of the contact on flat cover plate surfaces and lead to a detuning of the blade ring with it.
  • Pleated cover panels reduce the likelihood of misplacement. Because of the controllability of the contact, the blade kranzver michuri and thus the scattering of the blade natural frequencies is reduced. If the folded contact surface is provided with several, ie at least two rows of folds, forces and moments can be transmitted well at any time and a strong coupling between blades is ensured.
  • FIG. 1 is a view - perpendicular to the axis and directed radially inward - on a blade assembly according to the invention designed cover plate
  • FIG. 2 shows a section along M-II through a cover plate transition of the blade group according to FIG. 1, FIG.
  • Fig. 3 shows a guided along Ml-Ml section through the cover plate transition of Fig. 2, and 4 shows a section along IV-IV through the cover plate transition according to FIG. 2.
  • Fig. 1 shows an application example of the invention, a part of the blades of an axial turbine of a turbocharger.
  • the blades are arranged with blade roots in a blade carrier, the hub of the turbine wheel.
  • the hub of the turbine wheel is rotatably mounted on a shaft about an axis.
  • the terms “radial,” “axial,” and “circumferential direction” refer to this axis, and typically the blade roots are fir-tree shaped and axially inserted into oppositely-shaped grooves and axially secured body 10, which is exposed to the flow, that is to say the hot exhaust gases or the steam in the case of a steam turbine
  • the rotor blades At their radially outer, free ends, the rotor blades have a shroud which projects at least in sections in the axial direction over the blade body divided into many short segments, the cover plates 20, which are each integrally connected to a blade.
  • the cover plate of the ith blade has an uneven contact surface 21 in the contact region according to the invention.
  • the cover plate of the (i-1) -th blade has a flat contact surface 25.
  • Fig. 2 shows a view in the arrow direction on the section, which is guided along the designated M-Il, dashed line.
  • the uneven contact surface 21 has a plurality of elevations 22.
  • Fig. 3 - a view in the radial direction of the section, which is guided along the designated IM-III, dashed line - is shown - the elevations have a round, semicircular or semi-elliptical cross-section.
  • the flat contact surface 25 and one or more of the elevations 22 touch. It can be seen from the section in FIG. 4 taken along the broken line indicated by IV-IV that the elevations 22, or the underlying surface, has a curvature.
  • the curvature - exaggerated in FIG. 4 - extends radially from the view of the rotor blades, so that contact between the two contact surfaces of the two cover plates, regardless of any slight relative skew, certainly takes place.
  • a protrusion curved with radius R is pressed more and more against its planar counterpart, so that the "cylinder plane" contact with Hertz sets in.
  • the curvature of the elevation is denoted by R in the figures, where R is smaller than the radius r the individual surveys is significantly larger.
  • the surface of the protuberances has the surface shape of a tome, where a toms is a geometric body in which the points on the surface of a circle of radius R are the distance r, where r is less than R.
  • Such toroidal elevations with a radius of curvature R and a cylinder radius r on one of the contact surfaces of the cover plate avoid stress concentrations under load of the blade.
  • the surface pressure can be varied - a larger cylinder radius leads to a lower surface pressure - and an adaptation to the cover plate size can be made.
  • the cross-sectional radii r of the bumps in the radial direction, i. towards the root of the blade decrease, so that instead of the semi-cylindrical elevations, semi-conical elevations now result.
  • the corresponding Toms thus has along the radius of curvature R a variable cross-sectional radius r.
  • the elevations are made without the curvature defined by the radius R.
  • several surveys with different radius r are provided, which is maximum at the middle elevation and decreases towards the edge elevations.
  • a plurality of elevations of the same radius r are placed on a curved surface 21. The axis of this curvature points in the radial direction.

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  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • Mechanical Engineering (AREA)
  • General Engineering & Computer Science (AREA)
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Abstract

Das Turbinenrad umfasst eine Vielzahl von Laufschaufeln (10), welche auf einer um eine Achse drehbaren Nabe angeordnet sind und welche jeweils (10) an ihren radial äusseren Enden, Deckplatten (20) aufweisen. Der Übergang zwischen zwei benachbart angeordneten Laufschaufeln im Bereich der Deckplatten ist durch eine erste, unebene Kontaktfläche (21) und eine zweite, ebene Kontaktfläche (25) gebildet. Die unebene Kontakt besteht aus einer torusförmigen Erhebung mit einem Krümmungsradius R und einem Querschnittsradius r, wobei R grösser ist als r. Der Kontakt zwischen einer unebenen Fläche und einer ebene Fläche erlaubt eine bessere Kontrolle der Kontaktposition und es können ungewollte Spannungskonzentrationen vermieden werden.

Description

DECKBANDVERBINDUNG EINER TURBINENSCHAUFEL
B E S C H R E I B U N G
Technisches Gebiet
Die Erfindung bezieht sich auf das Gebiet der Strömungsmaschinen, insbesondere Abgasturbolader für aufgeladene Brennkraftmaschinen, Dampf- und Gasturbinen.
Sie betrifft ein Turbinenrad mit einer Vielzahl von Laufschaufeln, welche jeweils an ihren freien Enden Deckplatten aufweisen sowie eine Laufschaufel eines solchen Turbinenrades.
Stand der Technik Laufräder thermischer Strömungsmaschinen, etwa Dampfturbinen, Gasturbinen oder Turbinen von Abgasturboladern, weisen eine Vielzahl von Laufschaufeln auf, welche auf einer Nabe angeordnet sind, welche um eine Welle drehbar gelagert ist. Die Laufräder weisen an ihren radial äusseren, freien Enden häufig Deckbänder - in der Fachsprache „Shroud" genannt - auf. Ein Deckband setzt sich aus einzelnen Segmenten - hier fortan Deckplatten genannt - zusammen, die mit jeweils einer Laufschaufel integral verbunden sind.
Die Deckplatten werden durch eine Torsionsvorspannung der Schaufeln bei der Montage oder im Betrieb durch die natürliche Entwindung der Schaufeln unter Fliehkrafteinfluss gegeneinander verspannt. Die Funktion der Deckplatten besteht in der Verbesserung des thermodynamischen Wirkungsgrades durch Minimierung der Spaltverluste, sowie in der Optimierung des Schwingungsverhaltens durch ihre dämpfende und versteifende Wirkung. Die Gestaltung des Übergangs zwischen den Deckplatten zweier benachbart angeordneter Laufschaufeln erfolgt nach verschiedenen Kriterien in Bezug auf Thermodynamik, Betriebsfestigkeit, Flächenpressung, Montierbarkeit und Fertigung.
Da die nominalen Kontaktflächen im Bereich des Übergangs zwischen Deckplatten zweier benachbart zueinander angeordneter Laufschaufeln eines herkömmlichen Turbinenrades eben sind, entsprechen die effektiven Kontaktflächen dünnen Streifen oder sogar nur kleinen Punkten. Diese kleinen Kontaktflächen können im Betrieb kaum Momente übertragen und sorgen für eine geringere Kopplung als in der Entwicklungsphase erwartet wird. Weiterhin können diese kleinen Kontaktzonen zu extremen Spannungskonzentrationen in den Deckplatten führen und im Falle von Mikroreibung Reibkorrosionsschäden - in der Fachsprache „Fretting" genannt - an der Kontaktfläche verursachen. Durch Fretting verursachte Schäden sind eine Folge von statischen und dynamischen Spannungen im Material unterhalb der Kontaktfläche und sind in der Entwicklungsphase numerisch - etwa mit der finite Elemente (FE) Methode - nur teilweise oder gar nicht vorherzusehen, weil für ihre Abschätzung extrem hohe FE-Netzdichten erforderlich sind.
Eine beispielhafte Form eines Übergangs zwischen den Deckplatten benachbart angeordneter Laufschaufeln von Gasturbinen ist in US 5,593,282, Fig. 4 abgebildet.
Kurze Darstellung der Erfindung Die Aufgabe der vorliegenden Erfindung besteht darin, den Übergang zwischen den Deckplatten benachbart angeordneter Laufschaufeln eines Turbinenrades zu verbessern.
Erfindungsgemäss wird hierfür der Übergang zwischen den Deckplatten benachbart angeordneter Laufschaufeln eines Turbinenrades mit einer ebenen und einer unebenen Kontaktfläche ausgestaltet.
Der Kontakt zwischen einer unebenen Fläche und einer ebenen Fläche erlaubt eine bessere Kontrolle der Kontaktposition. Bei jedem beliebigen Anstellwinkel der Gegenfläche stellt sich eine Hertzsche Pressung ein und es können ungewollte Spannungskonzentrationen vermieden werden. Besonders in Turbinenstufen, die Impulsanregungen ausgesetzt sind, können somit Belastungen stark verringert werden.
Anstatt des herkömmlichen, ebenen Kontakts wird an einem der Enden der Deckplatte die Kontaktfläche mit mindestens zwei halbzylinderförmigen Erhebungen (Falten) mit Radius r versehen. Diese halbzylinderförmigen Erhebungen weisen optional entlang ihrer Achse eine Krümmung mit Radius R auf. Die Gegenkontaktfläche der Deckplatte ist dagegen eben. Durch Veränderung des Zylinderradius r kann die Flächenpressung variiert und eine Anpassung an die Deckplattengrösse vorgenommen werden. Beim rein ebenen Kontakt kommt es zu unkontrollierten lokalen Spannungskonzentrationen und zur Missplatzierung von Kontaktzonen. Dieses hat eine unterschiedliche Ausbildung des Verschleisses an den Deckplatten eines selben Schaufel kranzes zur Folge. Geringe Fertigungsunterschiede von Schaufel zu Schaufel innerhalb der Toleranz haben grosse Auswirkungen auf die Ausbildung des Kontaktes an ebenen Deckplattenflächen und führen eine Verstimmung des Schaufel kranzes mit sich.
Ob an den Kontaktstellen Frettingschäden zu erwarten sind, ist von der wirkenden Flächenpressung abhängig. Im Gegensatz zum unkontrollierten Ebene-Kante-Kontakt an konventionellen Shrouds stellt sich an unebenen, gefalteten Deckplatten immer Hetzscher Kontakt ein. Dieses erlaubt die Flächenpressung anhand der Hertzschen Formeln zu bestimmen und mit Hilfe eines Versagenskriteriums die Wahrscheinlichkeit eines Schadens durch Fretting vorherzusagen.
Bei gefalteten Deckplatten wird die Wahrscheinlichkeit einer Missplatzierung reduziert. Wegen der Kontrollierbarkeit des Kontaktes verringert sich die Schaufel kranzverstimmung und somit die Streuung der Schaufeleigenfrequenzen. Wird die gefaltete Kontaktfläche mit mehreren, also mindestens zwei Reihen von Falten versehen, können Kräfte und Momente jederzeit gut übertragen werden und es wird eine starke Kopplung zwischen Schaufeln sichergestellt.
Kurze Beschreibung der Zeichnungen
Anschliessend ist anhand der Zeichnungen eine Ausführungsform des erfindungsgemässen Übergangs zwischen den Deckplatten benachbart angeordneter Laufschaufeln eines Turbinenrades beschrieben. Hierbei zeigt
Fig. 1 eine Ansicht - senkrecht zur Achse und radial nach innen gerichtet - auf eine Laufschaufelgruppe mit erfindungsgemäss gestalteten Deckplatten-
Übergängen,
Fig. 2 einen entlang M-Il geführten Schnitt durch einen Deckplattenübergang der Laufschaufelgruppe nach Fig. 1 ,
Fig. 3 einen entlang Ml-Ml geführten Schnitt durch den Deckplattenübergang nach Fig. 2, und Fig. 4 einen entlang IV-IV geführten Schnitt durch den Deckplattenübergang nach Fig. 2.
Weg zur Ausführung der Erfindung
Fig. 1 zeigt als Anwendungsbeispiel für die Erfindung einen Teil der Laufschaufeln einer Axialturbine eines Turboladers. Die Laufschaufeln sind mit Schaufelfüssen in einem Schaufelträger, der Nabe des Turbinenrades, angeordnet. Die Nabe des Turbinenrades ist auf einer Welle um eine Achse drehbar gelagert. Die hier verwendeten Begriffe „radial", „axial" und „in Umfangshchtung" beziehen sich auf diese Achse. In der Regel sind die Schaufelfüsse tannenbaumförmig ausgebildet und in axialer Richtung in gegengleich geformten Nuten eingeschoben und axial gesichert. Die Laufschaufeln weisen einen aerodynamisch geformten Schaufel körper 10 auf, welcher der Strömung, also den heissen Abgasen bzw. dem Dampf im Falle einer Dampfturbine, ausgesetzt ist. An ihren radial äusseren, freien Enden weisen die Laufschaufeln ein die Schaufel körper in axialer Richtung zumindest abschnittsweise überragendes Deckband auf. Das Deckband ist in viele kurze Segmente, den Deckplatten 20, unterteilt, welche jeweils mit einer Laufschaufel integral verbunden sind.
Zwischen den Deckplatten zweier benachbart angeordneter Laufschaufeln ist mindestens ein Kontaktbereich vorhanden. Die Deckplatte der i-ten Laufschaufel weist dabei im Kontaktbereich erfindungsgemäss eine unebene Kontaktfläche 21 auf. Die Deckplatte der (i-1 )-ten Laufschaufel dagegen weist eine ebene Kontaktfläche 25 auf.
Wie genau die unebene Kontaktfläche 21 gestaltet ist, wird anhand der Fig. 2 bis 4 näher erläutert.
Fig. 2 zeigt dabei eine Ansicht in Pfeilrichtung auf den Schnitt, welcher entlang der mit M-Il bezeichneten, gestrichelten Linie geführt ist. Die unebene Kontaktoberfläche 21 weist mehrere Erhebungen 22 auf. Wie in Fig. 3 - einer Ansicht in radialer Richtung auf den Schnitt, welcher entlang der mit IM-III bezeichneten, gestrichelten Linie geführt ist - dargestellt ist, haben die Erhebungen einen runden, halbkreis- oder halbellipsenförmigen Querschnitt. Je nach Winkellage der beiden benachbarten Deckplatten berühren sich die ebene Kontaktfläche 25 und eine oder mehrere der Erhebungen 22. Aus dem entlang der mit IV-IV bezeichneten, gestrichelten Linie geführten Schnitt in Fig. 4 ist ersichtlich, dass die Erhebungen 22, bzw. die darunterliegende Oberfläche eine Krümmung aufweist. Die Krümmung - in der Fig. 4 übertrieben dargestellt - verläuft aus Sicht der Laufschaufeln in radialer Richtung, so dass zwischen den beiden Kontaktflächen der beiden Deckplatten, unabhängig von einer allfälligen geringfügigen relativen Schieflage, sicher ein Kontakt stattfindet. Bei zunehmender Turbinendrehzahl wird eine mit Radius R gekrümmte Erhebung immer stärker an sein ebenes Gegenstück gepresst, so dass sich der Hertzsche Kontaktfall „Zylinder-Ebene" einstellt. Die Krümmung der Erhebung ist in den Figuren mit R bezeichnet, wobei R im Vergleich zum Radius r der einzelnen Erhebungen deutlich grösser ist.
Die Oberfläche der Erhebungen weisen also die Oberflächenform eines Toms auf, wobei ein Toms ein geometrischer Körper ist, bei welchem die Punkte auf der Oberfläche von einem Kreis mit Radius R den Abstand r, wobei r kleiner ist als R.
Derartige torusförmige Erhebungen mit einem Krümmungsradius R und einem Zylinderradius r auf einer der Kontaktflächen der Deckplatte vermeiden Spannungskonzentrationen bei Belastung der Schaufel. Durch Veränderung des Zylinderradius r kann die Flächenpressung variiert - ein grosserer Zylinderradius führt zu einer geringeren Flächenpressung - und eine Anpassung an die Deckplattengrösse vorgenommen werden. Zur Verstärkung oder anstelle der durch den Radius R definierten Krümmung können die Querschnittsradien r der Erhebungen in radialer Richtung, d.h. zum Schaufelfuss hin, abnehmen, so dass sich anstelle der halb- zylinderförmigen Erhebungen nunmehr halb-kegelförmige Erhebungen ergeben. Der entsprechende Toms weist also entlang dem Krümmungsradius R einen variablen Querschnittsradius r auf. Bei der Herstellung der unebenen Kontaktfläche an jeweils einem Ende der Deckplatten wird in einem ersten Arbeitschritt eine Krümmung mit dem Radius R in die an sich eben ausgestaltete Oberfläche geschliffen. Anschliessend werden auf der gekrümmten Oberfläche mittels Profilschliff die einzelnen Erhebungen mit dem Querschnittradius r erzeugt. Schliesslich werden die Kontaktflächen poliert um einen sauberen Kontakt sicherzustellen.
In einer zweiten, nicht dargestellten Ausführungsform werden die Erhebungen ohne die durch den Radius R definierte Krümmung gefertigt. Dafür werden mehrere Erhebungen mit unterschiedlichem Radius r vorgesehen, der bei der mittleren Erhebung maximal ist und zu den Randerhebungen hin abnimmt. Bei einer dritten Variante werden mehrere Erhebungen mit gleichem Radius r auf einer gewölbten Oberfläche 21 platziert. Die Achse dieser Wölbung zeigt in radiale Richtung.
Bezugszeichenliste
10 Laufschaufel
20 Deckplatte (Deckbandsegment)
21 Unebene Kontaktfläche
22 Erhebung
25 Ebene Kontaktfläche i-1 , i, i+1 Schaufelnummerierung
R Krümmungsradius r Radius der Erhebunα

Claims

PAT E N TA N S P R Ü C H E
1. Turbinenrad, umfassend eine Vielzahl von Laufschaufeln (10), welche auf einer um eine Achse drehbaren Nabe angeordnet sind und jeweils an ihren radial äusseren Enden Deckplatten (20) aufweisen, welche, in Umfangsrichtung aneinandergereiht, ein ringförmiges Deckband bilden, wobei der Übergang zwischen zwei benachbart angeordneten Laufschaufeln im Bereich des Deckbands durch eine erste, unebene Kontaktfläche (21 ) und eine zweite, ebene Kontaktfläche (25) gebildet ist, dadurch gekennzeichnet, dass die unebene Kontaktfläche (21 ) mindestens eine torusförmig ausgebildete Erhebung (22) aufweist, welche einen Krümmungsradius (R) und einen Querschnittsradius (r) aufweist, wobei der Krümmungsradius (R) der Krümmung grösser ist als der Querschnittsradius (r) der mindestens einen Erhebung (22), und dass die unebene Kontaktfläche (21 ) mit der mindestens einen torusförmigen Erhebung (22) auf der ebenen Kontaktfläche (25) aufliegt.
2. Turbinenrad nach Anspruch 1 , wobei der Querschnittsradius (r) der mindestens einen Erhebung (22) entlang des Krümmungsradius (R) unterschiedlich gross ist.
3. Turbinenrad nach einem der Ansprüche 1 oder 2, wobei die unebene Kontaktfläche (21 ) mehrere torusförmig ausgebildete Erhebungen (22) aufweist, und die mehreren Erhebungen (22) jeweils unterschiedliche Querschnittsradien (r) aufweisen.
4. Turbine eines Abgasturboladers, umfassend ein Turbinenrad nach einem der vorangehenden Ansprüche.
5. Abgasturbolader, umfassend eine Turbine nach Anspruch 4.
6. Gas- oder Dampfturbine, umfassend ein Turbinenrad nach einem der Ansprüche 1 bis 3.
7. Laufschaufel (10), welche in einer Vielzahl auf einer Nabe eines Turbinenrades angeordnet werden kann, umfassend an ihrem radial äusseren Ende eine
Deckplatte (20), welche, bei einer Vielzahl auf einer Nabe eines Turbinenrades angeordneten Laufschaufeln (10) zusammen mit den Deckplatten der anderen Leitschaufeln in Umfangsrichtung aneinandergereiht, ein ringförmiges Deckband bildet, wobei die Leitschaufel (10) für den Übergang zwischen zwei benachbart angeordneten Laufschaufeln im Bereich des Deckbands eine erste, unebene
Kontaktfläche (21 ) und eine zweite, ebene Kontaktfläche (25) aufweist, dadurch gekennzeichnet, dass die unebene Kontaktfläche (21 ) mindestens eine torusförmig ausgebildete Erhebung (22) aufweist, welche einen Krümmungsradius (R) und einen Querschnittsradius (r) aufweist, wobei der Krümmungsradius (R) der Krümmung grösser ist als der Querschnittsradius (r) der mindestens einen Erhebung (22).
8. Laufschaufel nach Anspruch 7, wobei der Querschnittsradius (r) der mindestens einen Erhebung (22) entlang des Krümmungsradius (R) unterschiedlich gross ist.
9. Laufschaufel nach einem der Ansprüche 7 oder 8, wobei die unebene Kontaktfläche (21 ) mehrere torusförmig ausgebildete Erhebungen (22) aufweist, und die mehreren Erhebungen (22) jeweils unterschiedliche Querschnittsradien (r) aufweisen.
PCT/EP2008/052840 2007-03-15 2008-03-11 Deckbandverbindung einer turbinenschaufel WO2008110543A1 (de)

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